CH695645A5 - As saturable reflector or as a saturable absorber acting optical unit. - Google Patents
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Description
CH 695 645 A5 CH 695 645 A5
Beschreibung description
[0001] Die Erfindung betrifft eine als sättigbarer Reflektor oder als sättigbarer Absorber wirkende optische Einheit, die jeweils aus mehreren Schichten auf einem Substrat aufgebaut sind, insbesondere für die Verwendung in einem Festkörperlaserresonator. The invention relates to an acting as a saturable reflector or as a saturable absorber optical unit, each of which is composed of a plurality of layers on a substrate, in particular for use in a solid-state laser resonator.
[0002] CHEMLA beschreibt in der US 4 860 296 einen Resonatorspiegel für eine Laserkavität, bei dem auf einem Reflektorspiegel, ein Schichtaufbau mit einer sättigbar absorbierenden Wirkung und abschliessend eine Anti-Reflexbeschichtung aufgebracht sind. Die Schichtdicken innerhalb des Schichtaufbaues sind so gewählt, dass die Schichten mit der eigentlich sättigbar absorbierenden Wirkung im jeweiligen Stehwellenmaximum liegen und somit eine feste Phasenanpassung mit einer f-Bedingung erfüllt wird. CHEMLA describes in US 4,860,296 a resonator mirror for a laser cavity in which are applied to a reflector mirror, a layer structure with a saturable absorbing effect and finally an anti-reflective coating. The layer thicknesses within the layer structure are chosen such that the layers with the actually saturable absorbing effect lie in the respective standing wave maximum and thus a fixed phase matching with an f condition is fulfilled.
[0003] In der US 5 701 327 (CUNNINGHAM) wird ein sättigbarer Bragg-Reflektor beschrieben, der aus nachfolgend genannten, aufeinander angeordneten Schichten besteht: einem Substrat aus Galliumarsenid (GaAs), einem Bragg-Reflektor aus alternierenden Schichten aus Aluminiumarsenid (AlAs) und Galliumarsenid und einer auf den Bragg-Reflektor aufgebrachten Spannungs-Entlastungs-Schicht aus Indiumphosphid (InP) mit einer Schichtdicke von j. US Pat. No. 5,701,327 (CUNNINGHAM) describes a saturable Bragg reflector which consists of the following successive layers: a substrate made of gallium arsenide (GaAs), a Bragg reflector made of alternating layers of aluminum arsenide (AlAs) and gallium arsenide and a stress relieving layer of indium phosphide (InP) deposited on the Bragg reflector with a layer thickness of j.
[0004] Innerhalb dieser Spannungs-Entlastungs-Schicht ist/sind eine oder mehrere Quantenschichten aus Indium-Galli-umarsenid/lndiumphosphid (InGaAs/lnP) eingebettet. Die Lösung nutzt die Verspannung innerhalb einer ± Schicht aus, in rlie mindestens eine Onantenschinht eingahant ist. Die —dicke Spannungs-Entlastungs-Schicht ist die an das umgehende Medium angrenzende Schicht des sättigbaren Bragg-Reflektors. Durch eine vergleichsweise aufwendige Prozessführung soll erreicht werden, dass die Quantenschichten in einem vorbestimmten Gebiet des Spannungsabbaues innerhalb der Spannungs-Entlastungs-Schicht angeordnet werden, um eine zusätzliche Rekombinationsquelle für Ladungsträger zu erhalten. Within this stress relieving layer, one or more quantum layers of indium gallium umarsenide / indium phosphide (InGaAs / InP) are embedded. The solution exploits the strain within a ± layer, in which at least one onantenschinht is eingahant. The -thick stress relieving layer is the layer of the saturable Bragg reflector adjacent to the immediate medium. By means of a comparatively complicated process control, it should be achieved that the quantum layers are arranged in a predetermined region of the voltage reduction within the stress relief layer in order to obtain an additional charge carrier recombination source.
[0005] Es wird das Ziel verfolgt, ultrakurze optische Pulse (110 fs) mit einer relativ grossen Bandbreite (26 nm) für Kommunikationsanwendungen (Laserwellenlänge 1541 nm) zu schaffen. Hier wird eine Phasenbeziehung der Lage der Quantenschichten zur stehenden Welle hergestellt, die ausserhalb des Stehwellenmaximums liegt. The aim is to provide ultrashort optical pulses (110 fs) with a relatively large bandwidth (26 nm) for communications applications (laser wavelength 1541 nm). Here, a phase relationship of the position of the quantum layers is made to the standing wave, which is outside the standing wave maximum.
[0006] Robert M. Kolbas u.a. nennen in «Strained-Layer InGaAs-GaAs-AIGaAs Photopumed and Current Injection Lasers» IEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 24, No. 8,1988, das Schichtsystem GaAs-InGaAs-GaAs als Beispiel einer Quantenschicht-Heterostruktur. Die Indium-Galliumarsenid-Schicht kann mit verschiedenem Indiumanteil hergestellt werden. Dieses Schichtsystem zeichnet sich dadurch aus, dass mit einer Auswahl des Indiumgehaltes und einer Schichtdicke der Einfach-Quantenschicht eine Arbeitswellenlänge innerhalb eines grossen Wellenlängenbereiches festgelegt werden kann (siehe dort Fig. 6). Robert M. Kolbas et al. in "Strained-Layer InGaAs-GaAs-AIGaAs Photopumed and Current Injection Lasers" IEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 8,1988, the GaAs InGaAs GaAs layer system as an example of a quantum layer heterostructure. The indium gallium arsenide layer can be made with various indium content. This layer system is characterized in that a working wavelength can be determined within a large wavelength range with a selection of the indium content and a layer thickness of the single quantum layer (see FIG. 6 there).
[0007] J.-Y. Marzin, M. N. Charasse und B. Sermage beschreiben in «Optical investigation of a new type of valence-band configuration in lnx Ga,.xAs-GaAs strained superlattics» Phys. Rev., vol. B31, pp 8298-8301,1985 eine Aufspaltung des Valenzbandes einer InGaAs-Schicht in ein «heavy-(HH) hole band» und ein «light-(LH) hole band» infolge von mechanischem Stress, der infolge der Gitterabstandsunterschiede zwischen InGaAs und GaAs entsteht (siehe dort Fig. 1). In Fig. J.-Y. Marzin, M.N. Charasse and B. Sermage describe in "Optical investigation of a new type of valence-band configuration in lnxGa, .xAs-GaAs strained superlattics" Phys. Rev., vol. B31, pp 8298-8301,1985 a split of the valence band of an InGaAs layer into a "heavy (HH) hole band" and a "light (LH) hole band" due to mechanical stress due to the lattice spacing differences between InGaAs and GaAs arises (see FIG. 1 there). In Fig.
2 wird anschaulich dargestellt, wie sich das Absorptionsverhalten als Funktion der Energielücke bzw. als Funktion der Wellenlänge einer Laserstrahlung mit der Schichtdicke und damit mit der Grösse der Verspannung der InGaAs-Schicht innerhalb der GaAs-Schichten verändert. Derartige Schichtsysteme werden bisher nur für Halbleiterlaser eingesetzt. 2 illustrates how the absorption behavior as a function of the energy gap or as a function of the wavelength of a laser radiation changes with the layer thickness and thus with the magnitude of the strain of the InGaAs layer within the GaAs layers. Such layer systems have hitherto been used only for semiconductor lasers.
[0008] Keller, U. u.a. zeigen auf Seite 443, Fig. 10 in «Semiconductor Saturable Absorber Mirrors (SESAM's) for Femto-second to Nanosecond Pulse Generation in Solid-State Lasers» IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol 2, No. 3, September 1996, einen Schichtaufbau, der ein sättigbarer Reflektor ist. Eine erste Schichtfolge (Si-Substrat, Epoxy und Ag) bildet einen Reflektor. Eine weitere Schichtfolge bildet aus Halbleiterschichten den sättigbaren Absorber, der zwei 10 nm dicke Absorberschichten aus GaAs enthält. Keller, U., et al. on page 443, FIG. 10, in Semiconductor Saturable Absorber Mirrors (SESAMs) for Femto-second to Nanosecond Pulse Generation in Solid-State Lasers. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 2, no. 3, September 1996, a layered structure that is a saturable reflector. A first layer sequence (Si substrate, epoxy and Ag) forms a reflector. Another layer sequence of semiconductor layers forms the saturable absorber, which contains two 10 nm-thick absorber layers of GaAs.
[0009] Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine vergleichsweise einfach aufgebaute als sättigbarer Reflektor oder als sättigbarer Absorber wirkende optische Einheit mit einer Quantenschicht-Heterostruktur insbesondere für die Verwendung in einem Festkörperlaserresonator zu schaffen. Sie sollen jeweils leistungsmässig hoch belastbar und insbesondere für Laserausgangsleistung grösser 5 Watt geeignet sein. Dabei soll die optische Einheit in einem Laserresonator eingesetzt werden, der Laserpulse mit einer Breite im Bereich von 0,1 ps bis 100 ps erzeugt. The object of this invention is to provide a relatively simple structure acting as a saturable reflector or as a saturable absorber optical unit with a quantum layer heterostructure, in particular for use in a solid-state laser resonator. In each case, they should be capable of high power and, in particular, be suitable for laser output power greater than 5 watts. In this case, the optical unit is to be used in a laser resonator which generates laser pulses with a width in the range of 0.1 ps to 100 ps.
[0010] Die Erfindung betrifft eine optische Einheit als sättigbarer Reflektor für eine Laserwellenlänge Ä.L, bei dem auf einer Oberfläche eines Substrates ein Reflektor und auf diesem eine Schichtfolge aus mehreren Halbleiterschichten mit einer sättigbar absorbierenden Wirkung aufgebracht ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine optische Einheit als sättigbarer Absorber für eine Laserwellenlänge XL, der aus der Schichtfolge mehrerer Halbleiterschichten mit einer sättigbar absorbierenden Wirkung auf einem für die Laserwellenlänge transparenten Substrat aufgebaut ist. The invention relates to an optical unit as a saturable reflector for a laser wavelength Ä.L, wherein on one surface of a substrate, a reflector and on this a layer sequence of a plurality of semiconductor layers is applied with a saturable absorbing effect. The invention further relates to an optical unit as a saturable absorber for a laser wavelength XL, which is composed of the layer sequence of a plurality of semiconductor layers having a saturable absorbing effect on a substrate transparent to the laser wavelength.
[0011] Die Erfindung ist für den sättigbaren Reflektor dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtfolge eine gitterverspannte Einfach-Quantenschicht und eine Deckschicht enthält, wobei die Materialzusammensetzung der Einfach-Quantenschicht, ihre Schichtdicke und ihre Verspannung im Schichtaufbau innerhalb eines Wellenlängenbereiches eine absorbierende Wirkung festlegen, weiterhin der Grad der sättigbaren Wirkung durch eine Wahl des Abstandes der verspannten Einfach-Quantenschicht zur Grenzfläche der Deckschicht zu einem umgebenden gasförmigen Medium festgelegt ist. Wichtig ist, The invention is characterized for the saturable reflector in that the layer sequence contains a lattice-strained single-quantum layer and a cover layer, wherein the material composition of the single-quantum layer, their layer thickness and their tension in the layer structure within a wavelength range define an absorbing effect, continue the degree of saturable effect is determined by a choice of the distance of the strained single-quantum layer to the interface of the cover layer to a surrounding gaseous medium. Important is,
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dass dieser Wellenlängenbereich die Laserwellenlänge Xl beinhaltet, mit welcher der sättigbare Reflektor betrieben werden soll. that this wavelength range includes the laser wavelength Xl with which the saturable reflector is to be operated.
[0012] Die Erfindung ist für den sättigbaren Absorber dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtfolge eine gitterverspannte Einfach-Quantenschicht und eine Deckschicht enthält, wobei die Materialzusammensetzung der Einfach-Quantenschicht (6), ihre Schichtdicke und ihre Verspannung im Schichtaufbau innerhalb eines Wellenlängenbereiches eine absorbierende Wirkung festlegen, weiterhin eine sättigbare Wirkung durch eine Wahl der Position innerhalb der stehenden Wellen eines Laserresonators festgelegt ist. The invention is characterized for the saturable absorber in that the layer sequence contains a lattice-strained single-quantum layer and a cover layer, wherein the material composition of the single-quantum layer (6), their layer thickness and their strain in the layer structure within a wavelength range an absorbing effect Furthermore, a saturable effect is determined by a choice of position within the standing waves of a laser resonator.
[0013] Wichtig ist, dass dieser Wellenlängenbereich die Laserwellenlänge beinhaltet, mit welcher der sättigbare Absorber betrieben werden soll. Für die sättigbare Funktion des sättigbaren Reflektors oder des sättigbaren Absorbers ist es sehr nützlich, wenn bei der Laserwellenlänge Ài. ein ausgeprägtes Absorptionsmaximum des Absorptionsverlaufes der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht liegt. Eine für die hier gewünschte Funktion günstige Gitterverspannung liegt in einem Bereich, der durch die Differenz der Gitterabstände der Einfach-Quantenschicht und des umgebenden Materials in der Grössenordnung zwischen 0,005 bis 0,02 nm bestimmt ist. Bei geringerer Differenz verschwindet die Vorspannung, bei grösserer Differenz gibt es Probleme mit der Haftfestigkeit der Schichten. Dabei darf die Lage der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht in Bezug zu den sich in einem Laserresonator ausbildenden stehenden Wellen nicht in einem Intensitätsminimum der einfallenden und/oder reflektierten Strahlung mit der Laserwellenlänge V liegen. Neu ist die Erkenntnis, dass die gezielte Gitterverspannung der Einfach-Quantenschicht zu gezielter herstellbaren und qualitativ hoch wertigen Bauelementen mit der sättigbar absorbierenden Wirkung für einen Hochleistungslaser führt. Durch die Wahl der Schichtdicke der Einfach-Quantenschicht und ihrer Materialzusammensetzung kann gezielt ein gewünschtes Absorptionsverhalten in einer Schichtfolge eingestellt werden. Das umgebende gasförmige Medium ist zweckmässiger Weise Luft oder ein getrocknetes Gas, zum Beispiel Stickstoff. Überraschend zeigt der Einsatz eines erfindungsgemässen sättigbaren Reflektors oder Absorbers in einem Laserresonator hervorragende Eigenschaften. Zum Beispiel werden die, für eine Bildprojektion mittels Laserstrahlung notwendigen, hinreichend kurzen Laserimpulse im Pikosekundenbereich bei einer entsprechenden Leistungsfestigkeit, die einer CW-Ausgangsleistung von 40 Watt entspricht, erzeugt. Seine Eigenschaften sind wenig temperaturabhängig. Eine Kühlung ist nur zur Abführung der entstehenden Verlustwärme erforderlich. Die zeitliche Konstanz der Ausgangsleistung, des Pulsabstandes und der Pulsdauer sind über die Zeitdauer eines Tages nahezu konstant. Überraschend hat sich weiterhin gezeigt, dass sich das aus der Gitterverspannung der Einfach-Quantenschicht mit mindestens einer der umgebenden Schichten ergebende Absorptionsverhalten in Abhängigkeit von der Wellenlänge so einstellen lässt, dass ein ausgeprägtes Absorptionsmaximum bei der vorgesehenen Laserwellenlänge XL sich ergibt. It is important that this wavelength range includes the laser wavelength with which the saturable absorber is to be operated. For the saturable function of the saturable reflector or the saturable absorber, it is very useful if at the laser wavelength Ài. a pronounced absorption maximum of the absorption curve of the latticed strained single-quantum layer is. A favorable for the desired function here lattice strain is in an area which is determined by the difference of the lattice spacings of the single-quantum layer and the surrounding material in the order of between 0.005 to 0.02 nm. If the difference is smaller, the bias voltage disappears, and if the difference is greater, there are problems with the adhesion of the layers. In this case, the position of the grating-strained single-quantum layer with respect to the stationary waves forming in a laser resonator must not lie in an intensity minimum of the incident and / or reflected radiation with the laser wavelength V. What is new is the realization that the targeted lattice strain of the single-quantum layer leads to more precisely produced and high-quality components with the saturable absorbing effect for a high-power laser. By choosing the layer thickness of the single-quantum layer and its material composition can be adjusted specifically a desired absorption behavior in a layer sequence. The surrounding gaseous medium is expediently air or a dried gas, for example nitrogen. Surprisingly, the use of a saturable reflector or absorber according to the invention in a laser resonator shows outstanding properties. For example, sufficiently short laser pulses in the picosecond range necessary for image projection by means of laser radiation are generated with a corresponding power resistance corresponding to a CW output power of 40 watts. Its properties are little dependent on temperature. Cooling is only required to dissipate the resulting heat loss. The temporal constancy of the output power, the pulse interval and the pulse duration are almost constant over the duration of a day. Surprisingly, it has further been shown that the absorption behavior resulting from the lattice strain of the single-quantum layer with at least one of the surrounding layers can be adjusted as a function of the wavelength such that a pronounced absorption maximum results for the intended laser wavelength XL.
[0014] Die gitterverspannte Einfach-Quantenschicht unterliegt hier keiner Fabry-Perot-Resonanzbedingung. Sie liegt aber anwendungsbedingt und somit zwangsläufig innerhalb der sich in einem Laserresonator ausbildenden stehenden Wellen. Ihre Funktion ist vergleichbar mit der eines Farbstoff-Absorbers in einem Farbstoff-Laser oder Nd: YAG-Lasers. Praktisch wird der Reflektor so ausgelegt, dass mit einer möglichst geringen Anzahl von Einzelschichten ein vorgegebener hoher Reflexionsgrad für die Laserwellenlänge X.L erreicht wird. Ein Reflexionsgrad von 98% ist im Allgemeinen für den Laserbetrieb im gesättigtem Zustand ausreichend. So sind zum Beispiel nur etwa 30 Einzelschichten für einen Bragg-Reflektor erforderlich. Diese vergleichsweise geringe Anzahl von Einzelschichten erfordert einen entsprechend geringen Herstellungsaufwand. Viel weniger Schichten sind bei einem Metallspiegel erforderlich. The grating-strained single-quantum layer is not subject to any Fabry-Perot resonance condition here. However, it is due to the application and thus inevitably within the standing in a laser resonator standing waves. Their function is comparable to that of a dye absorber in a dye laser or Nd: YAG laser. Practically, the reflector is designed so that a predetermined high reflectance for the laser wavelength X.L is achieved with the smallest possible number of individual layers. A reflectance of 98% is generally sufficient for laser operation in the saturated state. For example, only about 30 single layers are required for a Bragg reflector. This comparatively small number of individual layers requires a correspondingly low production cost. Much fewer layers are needed for a metal mirror.
[0015] Wichtiger ist jedoch, dass die vergleichsweise geringe Anzahl von Einzelschichten der erfindungsgemässen Bauelemente in Verbindung mit einer entsprechenden Beherrschung und Führung der Beschichtungsverfahren zu einem sehr homogenen Schichtaufbau senkrecht zur Strahlrichtung der laserinternen Strahlung führt. Dieses wiederum ermöglicht die Verwendung einer vergleichsweise geringen Fokussierung der laserinternen Strahlung auf den sättigbaren Reflektor oder den sättigbaren Absorber. Der Spot-Durchmesser auf dem jeweiligen Bauelement kann hier mehr als 200 betragen und kann bis etwa 5 mm aufgeweitet werden, wobei eine saubere, konstante Modensynchronisation des Lasers erfolgt. More importantly, however, that the comparatively small number of individual layers of the inventive components in conjunction with a corresponding command and leadership of the coating process leads to a very homogeneous layer structure perpendicular to the beam direction of the laser-internal radiation. This in turn allows the use of a comparatively small focus of the laser-internal radiation on the saturable reflector or the saturable absorber. The spot diameter on the respective component can be more than 200 here and can be widened to about 5 mm, with a clean, constant mode synchronization of the laser.
[0016] Dieser vergleichsweise grosse Spot-Durchmesser reduziert die Leistungsdichte innerhalb der sättigbar absorbierenden Schicht und ihrer unmittelbaren Umgebung erheblich. Typisch ist ein Wert von kleiner 100 kW/cm2 bis hin zu etwa This comparatively large spot diameter significantly reduces the power density within the saturable absorbing layer and its immediate environment. Typical is a value of less than 100 kW / cm2 up to about
2 kW/cm2, bezogen auf cw-Betrieb des Lasers. 2 kW / cm2, based on cw operation of the laser.
[0017] In der Praxis wird aber möglichst nahe an der Belastbarkeitsgrenze des sättigbaren Reflektors oder des sättigbaren Absorbers gearbeitet, um eine maximale Laserausgangsleistung über eine vorgegebene Lebensdauer der Laserstrahlungsquelle zu erzielen. Der vergleichsweise grosse Spot auf dem sättigbaren Reflektor oder auf dem sättigbaren Absorber im Laserresonator erlaubt dort eine vergleichsweise niedrige Leistungsdichte bei einer hohen Ausgangsleistung des Lasers, die im Bereich bis über 40 W liegen kann. In practice, however, is worked as close to the capacity limit of the saturable reflector or the saturable absorber, in order to achieve a maximum laser output power over a predetermined lifetime of the laser radiation source. The comparatively large spot on the saturable reflector or on the saturable absorber in the laser resonator allows a comparatively low power density at a high output power of the laser, which can be in the range of more than 40W.
[0018] Die Gitterverspannung der Einfach-Quantenschicht erfolgt bei dem sättigbaren Reflektor mit der auf deren einer Seite angrenzenden letzten Schicht eines Reflektors und/oder mit der auf deren anderen Seite angrenzenden Deckschicht, entsprechend bei einem sättigbaren Absorber mit der Deckschicht und/oder mit dem Substrat. The lattice strain of the single-quantum layer is carried out at the saturable reflector with the adjacent on one side last layer of a reflector and / or with the other side adjacent top layer, corresponding to a saturable absorber with the cover layer and / or with the substrate.
[0019] Die genannten Schichten bilden mit der Einfach-Quantenschicht eine Heterostruktur, d.h. es bildet sich ein sogenannter Quantentopf. Die Erfindung ermöglicht eine einfache Berechnung bzw. Dimensionierung eines sättigbaren Reflektors oder Absorbers mit der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht-Heterostruktur, da die Funktion der Einzelbauelemente Reflektor und/oder gitterverspannte Einfach-Quantenschicht-Heterostruktur deren Grundlage sind. Durch die bewusste Dimensionierung der Gitterverspannung der Einfach-Quantenschicht und ihrer Schichtdicke ist eine einfache The said layers form a heterostructure with the single-quantum layer, i. It forms a so-called quantum well. The invention enables a simple calculation or dimensioning of a saturable reflector or absorber with the lattice-strained single-quantum-layer heterostructure, since the function of the individual components reflector and / or lattice-strained single-quantum-layer heterostructure is their basis. By deliberately dimensioning the lattice strain of the single-quantum layer and its layer thickness is a simple
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neue Möglichkeit gegeben, die Absorptionseigenschaften der Einfach-Quantenschicht in weiten Grenzen gezielt zu beeinflussen und genau auf die Laserwellenlänge des Festkörperlasers abzustimmen. Wählbare Parameter zur Dimensionierung eines der erfindungsgemässen Bauelemente für eine Laserwellenlänge sind die Matèrialauswahl für die Heterostruktur und die Dicke der Einfach-Quantenschicht. new possibility given to influence the absorption properties of the single-quantum layer targeted within wide limits and to tune exactly to the laser wavelength of the solid-state laser. Selectable parameters for dimensioning one of the components according to the invention for a laser wavelength are the matrix selection for the heterostructure and the thickness of the single-quantum layer.
[0020] Weiterhin werden durch die Abstände der Lage der Einfach-Quantenschicht zum Reflektor und zu der Grenzfläche der Deckschicht zum umgebenden Medium oder, bei einem sättigbaren Absorber, seine Lage im Laserresonator die sättigbar-absorbierenden Eigenschaften festgelegt. Das Absorptionsverhalten und die Lage der verspannten Einfach-Quantenschicht innerhalb der Schichtfolge bestimmen wesentlich die Pulsdauer eines modensynchronisierten Lasers, in dem eines der Bauelemente jeweils eingesetzt wird. Die Lage der für die Laserwellenlänge ausgelegten gitterverspannten Einfach-Quantenschicht innerhalb der Schichtfolge wird nach dem Kriterium der gewünschten oder erforderlichen Laserfestigkeit des Resonatorspiegels oder des sättigbaren Absorbers und der Pulswiederholfrequenz festgelegt. Dies ist jedoch optimal nur im Zusammenhang mit der konkreten Dimensionierung des Laserresonators, d.h. der gewünschten Ausgangsleistung und des Strahlquerschnittes möglich. Wichtig ist, dass die Lage der verspannten Einfach-Quantenschicht von einem Stehwellenminimum der Laserstrahlung im Laserresonator so weit entfernt liegt, dass die gewünschte sättigbar absorbierende Wirkung erhalten wird, die die kurzen Laserpulse im Pikosekunden-Bereich erzeugt. Die verspannte Einfach-Quantenschicht ist daher vorzugsweise ausserhalb eines Intensitätsmaximums der Laserstrahlung angeordnet. Praktisch nutzt die Erfindung eine Stellung der Einfach-Quantenschicht innerhalb der Schichtfolge, die zwischen einem -Stehwellenmaximum und einem Stehwellenminimum der Laserstrahlung liegt. Furthermore, the saturation-absorbing properties are determined by the distances between the position of the single-quantum layer to the reflector and the interface of the cover layer to the surrounding medium or, for a saturable absorber, its location in the laser resonator. The absorption behavior and the position of the strained single quantum layer within the layer sequence essentially determine the pulse duration of a mode-locked laser, in which one of the components is used in each case. The position of the lattice-strained single quantum layer within the layer sequence designed for the laser wavelength is determined according to the criterion of the desired or required laser strength of the resonator mirror or the saturable absorber and the pulse repetition frequency. However, this is optimal only in the context of the specific dimensioning of the laser resonator, i. the desired output power and the beam cross section possible. It is important that the position of the strained single-quantum layer of a standing wave minimum of the laser radiation in the laser resonator is so far away that the desired saturable absorbing effect is obtained, which generates the short laser pulses in the picosecond range. The strained single-quantum layer is therefore preferably arranged outside an intensity maximum of the laser radiation. In practice, the invention uses a position of the single-quantum layer within the layer sequence, which lies between a -Stehwellenmaximum and a standing wave minimum of the laser radiation.
[0021 ] Es erfordert den geringsten Aufwand, die Einfach-Quantenschicht mit der letzten Schicht (der am weitesten aussen liegenden Schicht) des Reflektors zu verspannen. Es bringt jedoch Einschränkungen bei der Materialauswahl und der Verfahrenstechnik mit sich, wenn eine gewünschte Intensität der stehenden Welle in der sättigbar absorbierenden Schicht reproduzierbar eingestellt werden soll, da diese dann zusätzlich nur über das Material und die Dicke der Deckschicht einstellbar ist. Da diese Deckschicht vornehmlich passivierende und gegebenenfalls auch antireflektierende Eigenschaften haben muss, ist die Auswahl geeigneter Materialien stark eingegrenzt. It takes the least amount of effort to clamp the single-quantum layer to the last layer (the outermost layer) of the reflector. However, there are limitations in the choice of materials and the process technology when a desired intensity of the standing wave in the saturable absorbing layer is to be set reproducibly, since this is then additionally adjustable only by the material and the thickness of the cover layer. Since this cover layer must have primarily passivating and optionally also antireflective properties, the choice of suitable materials is severely limited.
[0022] In einer weiteren Ausführungsform des sättigbaren Reflektors ist dieser vorteilhafterweise jeweils mit einer Zwischenschicht versehen, die auf der letzten Schicht des Reflektors ist, oder bei dem sättigbaren Absorber ist die Zwischenschicht auf das Substrat aufgebracht. Die Schichtfolge enthält daher die zum Reflektor oder Substrat hin angrenzende Zwischenschicht. Die Zwischenschicht sollte gegenüber der letzten Schicht des Reflektors oder gegenüber dem Substrat spannungsfrei sein. Insbesondere bei einem Bragg-Reflektor ist die Spannungsfreiheit der Schichten eine wichtige Voraussetzung für eine stabile Funktion. Auf die Zwischenschicht ist die Einfach-Quantenschicht gitterverspannt aufgebracht. Auf der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht ist dann die Deckschicht aufgebracht. Die gitterverspannte Einfach-Quantenschicht bildet mit der Zwischenschicht und der Deckschicht eine Heterostruktur. Mit der Wahl der Dicken der Zwischenschicht und der Deckschicht kann die sättigbar absorbierende Wirkung des sättigbaren Reflektors oder des sättigbaren Absorbers sehr einfach reproduzierbar erreicht werden, so dass sein Einsatz in einem Laserresonator die gewünschten kurzen modensynchronisierten Laserimpulse liefert. In a further embodiment of the saturable reflector this is advantageously provided in each case with an intermediate layer which is on the last layer of the reflector, or in the saturable absorber, the intermediate layer is applied to the substrate. The layer sequence therefore contains the intermediate layer adjacent to the reflector or substrate. The intermediate layer should be stress-free with respect to the last layer of the reflector or with respect to the substrate. Particularly in the case of a Bragg reflector, the absence of stress of the layers is an important prerequisite for a stable function. On the intermediate layer, the single-quantum layer is applied grid-spanned. The cover layer is then applied to the grid-strained single-quantum layer. The latticed strained single-quantum layer forms a heterostructure with the intermediate layer and the cover layer. With the choice of the thicknesses of the intermediate layer and the cover layer, the saturable absorbing effect of the saturable reflector or the saturable absorber can be achieved very easily reproducible, so that its use in a laser resonator delivers the desired short mode-synchronized laser pulses.
[0023] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des sättigbaren Reflektors oder des sättigbaren Absorbers besteht darin, dass die gitterverspannte Einfach-Quantenschicht in das Material der Zwischenschicht eingebettet ist, wobei die gitterverspannte Einfach-Quantenschicht mit den Teilen der Zwischenschicht eine Heterostruktur bildet. Hier hat sich gezeigt, dass der Grad der Gitterverspannung der Einfach-Quantenschicht reproduzierbarer herstellbar ist und die Eigenschaften der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht nicht durch andere Materialeigenschaften der Deckschicht beeinflusst werden. A further advantageous embodiment of the saturable reflector or of the saturable absorber is that the lattice-strained single-quantum layer is embedded in the material of the intermediate layer, wherein the lattice-strained single-quantum layer forms a heterostructure with the parts of the intermediate layer. It has been found here that the degree of lattice strain of the single-quantum layer can be reproduced in a reproducible manner and the properties of the lattice-strained single-quantum layer are not influenced by other material properties of the cover layer.
[0024] Durch die Wahl gleicher oder verschiedener Schichtdicken der Teile der Schichten erhält man eine weitere Möglichkeit zur Einstellung der Lage der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht zum sich ausbildenden Stehwellenverlauf innerhalb des Laserresonators und damit seiner Schaltwirkung und Leistungsfestigkeit. Diese Massnahmen werden entsprechend auch bei dem erfindungsgemässen sättigbaren Absorber vorgesehen und führen zu den entsprechenden Wirkungen. Die sättigbare Wirkung derartiger Bauelemente wird allgemein durch eine Wahl der Position innerhalb der stehenden Wellen eines Laserresonators festgelegt. By choosing the same or different layer thicknesses of the parts of the layers to obtain another way to adjust the position of the lattice strained single-quantum layer to form the standing wave pattern within the laser resonator and thus its switching effect and power resistance. These measures are accordingly also provided in the inventive saturable absorber and lead to the corresponding effects. The saturable effect of such devices is generally determined by a choice of position within the standing waves of a laser cavity.
[0025] Ein besonders günstiger Schichtaufbau wird erreicht, wenn im Reflektor oder im Substrat, d.h. innerhalb der Schichtfolge des Reflektors und zu dem Substrat, und der jeweils darauf aufgewachsenen Zwischenschicht keine oder im Vergleich zur Verspannung der Einfach-Quantenschicht nur geringe Gitterverspannungen auftreten. Das bedingt, dass die Unterschiede der Gitterabstände der Materialien des Reflektors und/oder des Substrates und des Materials der Zwischenschicht kleiner 0,005 nm, insbesondere kleiner als 0,001 nm sind. Zur Erfüllung dieser Forderung und für die Minimierung des Aufwandes zur Herstellung des sättigbaren Reflektors oder sättigbaren Absorbers ist es besonders vorteilhaft, wenn einer der Stoffe, die zum Aufbau des Reflektors oder Substrates eingesetzt werden, auch mit zum Aufbau der Zwischenschicht verwendet wird. A particularly favorable layer structure is achieved when in the reflector or in the substrate, i. E. within the layer sequence of the reflector and to the substrate, and the respectively grown on the intermediate layer no or compared to the strain of the single-quantum layer only small lattice strains occur. This requires that the differences in the lattice spacings of the materials of the reflector and / or the substrate and the material of the intermediate layer are less than 0.005 nm, in particular less than 0.001 nm. To meet this requirement and to minimize the expense of producing the saturable reflector or saturable absorber, it is particularly advantageous if one of the substances that are used to construct the reflector or substrate, is also used to build the intermediate layer.
[0026] Der Reflektor ist für viele Laseranwendungen insbesondere als Bragg-Reflektor für einen vorgegebenen Reflexionsgrad (Anzahl der Schichtfolgen) aufgebaut. Der sättigbare Reflektor besteht aus dem Bragg-Reflektor, der aus einem ersten Material mit einem Brechungsindex nH und aus einem zweiten Material mit dem niedrigeren Brechungsindizes nL besteht, weiterhin die Zwischenschicht und/oder die Deckschicht aus einem dieser Materialien besteht. The reflector is constructed for many laser applications in particular as a Bragg reflector for a given reflectance (number of layer sequences). The saturable reflector consists of the Bragg reflector, which consists of a first material with a refractive index nH and a second material with the lower refractive indices nL, furthermore the intermediate layer and / or the covering layer consists of one of these materials.
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[0027] Der Reflektor kann aber auch ein hochreflektierender Metallspiegel sein, auf dem die Schichtfolge mit der sättigbar absorbierenden Schicht aufgebracht ist. In diesem Fall kann mit der geringsten Schichtanzahl gearbeitet werden. But the reflector can also be a highly reflective metal mirror, on which the layer sequence is applied with the saturable absorbing layer. In this case, you can work with the lowest number of layers.
[0028] Eine vorteilhafte Ausgestaltung eines sättigbaren Reflektors besteht darin, dass das Substrat aus Galliumarsenid (GaAs) besteht und der Reflektor ein Bragg-Reflektor ist, der aus Einzelschichten besteht, die jeweils eine Dicke haben, die für das erste Material mit dem Brechungsindex nH mit undotiertem Galliumarsenid (GaAs) ^ und die für das zweite Material mit dem niedrigeren Brechungsindizes nL mit undotiertem Aluminiumarsenid (AlAs) rt betragen, die Zwischenschicht aus Galliumarsenid (GaAs) ist, auf der oder innerhalb derer die Einfach-Quantenschicht aus Indium-Galliumar-senid (I^Ga^As) gitterverspannt ist, wobei der Indium-Anteil (x) und der Gallium-Anteil (1-x) in der Indium-Galliumarse-nid-Verbindung und deren Schichtdicke die absorbierende Wirkung als Funktion innerhalb eines Wellenlängenbereiches festlegen, dieser Wellenlängenbereich die Laserwellenlänge beinhaltet, bei dieser Lasenwellenlänge ein Maximum des Absorptionsverlaufes liegt. Die Sättigungswirkung des sättigbaren Bragg-Reflektors innerhalb eines Laserresonators wird durch die Lage der verspannten Einfach-Quantenschicht zu der Grenze des Reflektors festgelegt. Der Bragg-Reflektor besteht aus 15 bis 50 Einzelschichten, die Spiegelpaare bilden. Die Zahl der Spiegelpaare bestimmt seinen Reflektivi-tätsgrad (siehe Orazio Svelto: «Principles of Lasers» fourth édition Plenum Press 1998). Zum Beispiel wird mit 28 Spiegelpaaren eine Reflektivität des Resonatorspiegels von 98,77% erreicht. Praktisch wird immer angestrebt, mit möglichst wenigen Schichten zu arbeiten. An advantageous embodiment of a saturable reflector is that the substrate consists of gallium arsenide (GaAs) and the reflector is a Bragg reflector consisting of individual layers, each having a thickness for the first material with the refractive index nH with undoped gallium arsenide (GaAs) ^ and that for the second material with the lower refractive index nL with undoped aluminum arsenide (AlAs) rt, the interlayer of gallium arsenide (GaAs) on or within which the single quantum layer of indium gallium arsenide The indium portion (x) and the gallium portion (1-x) in the indium-Galliumarse-nid compound and their layer thickness determine the absorbing effect as a function within a wavelength range senid (I ^ Ga ^ As) lattice , This wavelength range includes the laser wavelength, at this lasing wavelength is a maximum of the absorption curve. The saturation effect of the saturable Bragg reflector within a laser resonator is determined by the position of the strained single-quantum layer to the boundary of the reflector. The Bragg reflector consists of 15 to 50 individual layers, which form mirror pairs. The number of mirror pairs determines its degree of reflectivity (see Orazio Svelto: "Principles of Lasers" fourth edition Plenum Press 1998). For example, a reflectivity of the resonator mirror of 98.77% is achieved with 28 pairs of mirrors. Practically, the goal is always to work with as few shifts as possible.
diese Materialien mit der erforderlichen Homogenität der Schichtdicken und des Schichtaufbaues vergleichsweise einfach auf das Substrat aus Galliumarsenid epitaktisch aufgewachsen werden können. These materials with the required homogeneity of the layer thicknesses and the layer structure can be epitaxially grown epitaxially comparatively easily on the substrate of gallium arsenide.
[0030] Die Dimensionierung einer gitterverspannten Einfach-Quantenschicht aus Indium-Galliumarsenid (In^Ga^s) in Galliumarsenid (GaAs) erfolgt in mehreren Schritten. Zunächst muss der Absorptionsverlauf der verspannten Einfach-Quantenschicht als Funktion der Wellenlänge und in Abhängigkeit von ihrer Schichtdicke ermittelt werden, wie diese aus der Literatur zum Teil zu entnehmen ist; siehe J.-Y. Marzin, M. N. Charasse und B. Sermage: «Optical investigation of a new type of valence-band configuration in lnx Gai_x As-GaAs strained superlattics» Phys. Rev., vol. B31, pp 8298-8301, 1985; dort insbesondere Fig. 2. The dimensioning of a lattice-strained single quantum layer of indium gallium arsenide (In ^ Ga ^ s) in gallium arsenide (GaAs) takes place in several steps. First, the absorption curve of the strained single-quantum layer has to be determined as a function of the wavelength and as a function of its layer thickness, as can be inferred partially from the literature; see J.-Y. Marzin, M.N. Charasse and B. Sermage: "Optical investigation of a new type of valence-band configuration in lnx Gai_x As-GaAs strained superlattics" Phys. Rev., vol. B31, pp 8298-8301, 1985; there in particular Fig. 2.
[0031] Für die gewünschte Wellenlänge des Laserlichtes sind viele Wertepaare für eine Schichtdicke und eine Materialzusammensetzung auswählbar, bei der die verspannte Einfach-Quantenschicht ein Absorptionsmaximum zeigt. For the desired wavelength of the laser light many pairs of values for a layer thickness and a material composition can be selected, in which the strained single-quantum layer shows an absorption maximum.
[0032] Nun erfolgt durch Anwendung des in R. M. Kolbas, N. G. Anderson, W. D. Laidig, Yongkun Sin, Y. C. Lo, K. Y. Hsien, Y.J. Yang: «Strained-Layer InGaAs-GaAs-AIGaAs Photopumped and Current Injection Lasers» IEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 24, No. 8, 1988, veröffentlichten Diagramms (dort Fig.2) eine Auswahl eines der ermittelten Wertepaare für die vorgesehene Wellenlänge des Lasers. Now, by using the method described in R.M. Kolbas, N.G. Anderson, W.D. Laidig, Yongkun Sin, Y.C. Lo, K.Y. Hsien, Y.J. Yang: "Strained-Layer InGaAs-GaAs-AIGaAs Photopumped and Current Injection Lasers" IEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 8, 1988, there is a selection of one of the determined value pairs for the intended wavelength of the laser.
[0033] Gitterverspannte Einfach-Quantenschichten fanden bisher bei der Herstellung von Halbleiterlasern Anwendung. Überraschend hat sich jedoch gezeigt, dass die grundsätzliche Vorgehensweise der Schichtdimensionierung und Schichtbildung auf die Herstellung eines sättigbaren Bragg-Reflektors übertragen werden kann. Hier erfolgt die Dimensionierung des Indium-Anteils x und der Schichtdicke und damit eines gewünschten Absorptionsverhaltens so, dass ein ausgeprägtes Maximum des Absorptionsverlaufes in einem Wellenlängenbereich bei der Laserwellenlänge eines Festkörper-Laserresonators liegt. Für eine Laserwellenlänge von 1064 nm ergibt sich bei einer Dicke der Einfach-Quantenschicht von etwa 7 nm ein Indiumanteil zu 33%, wie aus der Fig. 2 in R. M. Kolbas, N. G. Anderson, W. D. Laidig, Yongkun Sin, Y. C. Lo, K. Y. Hsien, Y. J. Yang: «Strained-Layer InGaAs-GaAs-AIGaAs Photopumped and Current Injection Lasers» IEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 24, No. 8,1988, entnommen werden kann, wenn der Bandabstand E [in eV] gemäss der Formel in die Wellenlänge, hier die Laserwellenlänge XL umgerechnet wird. Das Sättigungsverhalten und damit das in einem Laserresonator erzeugte Schaltverhalten und damit die Pulsdauer sind besonders gut und reproduzierbar durch die Wahl der Lage der verspannten Indium-Galliumarsenid-Schicht innerhalb der Zwischenschicht einstellbar. Pulsdauer und Absorptionsverhalten bestimmen wiederum die Leistungsfestigkeit des sättigbaren Reflektors in einem Laserresonator. Die Galliumarsenid-Schichten der Zwischenschicht dienen damit immer zur Verspannung für die vergleichsweise dünne Ein-fach-Quantenschicht aus Indium-Galliumarsenid und dient gleichzeitig als Schutzschicht zu den umgebenden Medien hin. Grid-strained single-quantum layers have hitherto been used in the production of semiconductor lasers. Surprisingly, however, it has been shown that the basic procedure of layer dimensioning and layer formation can be transferred to the production of a saturable Bragg reflector. Here, the dimensioning of the indium portion x and the layer thickness and thus a desired absorption behavior is such that a pronounced maximum of the absorption curve is in a wavelength range at the laser wavelength of a solid-state laser resonator. For a laser wavelength of 1064 nm results in a thickness of the single quantum layer of about 7 nm, an indium fraction to 33%, as shown in FIG. 2 in RM Kolbas, NG Anderson, WD Laidig, Yongkun Sin, YC Lo, KY Hsien, YJ Yang: "Strained-Layer InGaAs-GaAs-AIGaAs Photopumped and Current Injection Lasers" IEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 8,1988, can be taken when the band gap E [in eV] according to the formula in the wavelength, here the laser wavelength XL is converted. The saturation behavior and thus the switching behavior generated in a laser resonator and thus the pulse duration are particularly well and reproducibly adjustable by the choice of the position of the strained indium gallium arsenide layer within the intermediate layer. Pulse duration and absorption behavior in turn determine the power stability of the saturable reflector in a laser resonator. The gallium arsenide layers of the intermediate layer thus always serve to tension the comparatively thin single-fold quantum layer of indium gallium arsenide and at the same time serve as a protective layer towards the surrounding media.
[0034] Die verspannte Indium-Galliumarsenid-Schicht ist in einem speziellen Fall innerhalb von zwei optisch etwa XJ4 dicken Galliumarsenid-Schichten eingebettet. Dann steht die Indium-Galliumarsenid-Schicht in Verbindung mit dem Bragg-Reflektor im Stehwellenmaximum innerhalb eines Laserresonators. Dies hat den Nachteil einer maximalen Energiedichte an dieser Stelle. Dieser Nachteil wird aber dadurch beseitigt, dass der Durchmesser des in den Resonatorspiegel einfallenden Strahlenbündels vergleichsweise sehr gross eingestellt wird, statt üblicherweise 10 Spot-Durchmesser können mehr als 200 pm Spot-Durchmesser eingestellt werden. Dies ist jedoch nur bei einem sehr homogenen Schichtaufbau möglich, der durch den vergleichsweise sehr einfachen Schichtaufbau und die vergleichsweise geringe Zahl von Einzelschichten begünstigt wird. The strained indium-gallium arsenide layer is embedded in a special case within two optically about XJ4 thick gallium arsenide layers. Then, the indium gallium arsenide layer is in connection with the Bragg reflector in the standing wave maximum within a laser resonator. This has the disadvantage of a maximum energy density at this point. However, this disadvantage is eliminated by setting the diameter of the bundle of rays incident in the resonator mirror to be comparatively very large, and instead of the usual spot diameter, more than 200 .mu.m spot diameter can be set. However, this is only possible with a very homogeneous layer structure, which is favored by the comparatively very simple layer structure and the comparatively small number of individual layers.
[0035] Die Indium-Galliumarsenid-Schicht ist eine Low-Temperature-Schicht. Die Wachstumstemperatur sollte unter 500°C liegen, um die Lebensdauer der Ladungsträger zu verringern und hinreichend kurze Laserpulse zu erzeugen. Jedoch ist mit einer Low-Temperature-Schicht gewährleistet, dass der sättigbare Absorber auch bei einer Optimierung des Schichtaufbaues hinsichtlich seiner Leistungsfestigkeit hinreichend kurze Laserimpulse liefert, die für viele technische An- The indium gallium arsenide layer is a low-temperature layer. The growth temperature should be below 500 ° C in order to reduce the lifetime of the charge carriers and to generate sufficiently short laser pulses. However, with a low-temperature layer, it is ensured that the saturable absorber supplies sufficiently short laser pulses with regard to its power resistance even when the layer structure is optimized, which is the case for many technical applications.
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Wendungen im Bereich von 1 bis 10 Pikosekunden günstig liegen. Technische Anwendungen sind zum Beispiel die Materialbearbeitung oder die Bildprojektion mittels Laserlicht. Vorteilhafterweise ist, wie oben allgemein beschrieben, auf der dem Bragg-Reflektor abgewandten, äusseren Galliumarsenid-Schicht eine Entspiegelungsbeschichtung als Deckschicht aufgebracht. Die Entspiegelungsbeschichtung ist für die eine Lasen/vellenlänge Xl ausgelegt, wobei deren Brechzahl nach ist und mit nGaAs für die Lasen/vellenlänge XL gerechnet wird, wobei ein Reflexionsgrad kleiner 1% ohne besondere Aufwendungen erreichbar ist. Für die Laserwellenlänge V = 1064 ist die Entspiegelungsbeschichtung aus einer Schicht Siliziumoxinitrid hergestellt. Turns in the range of 1 to 10 picoseconds are favorable. Technical applications include material processing or image projection using laser light. Advantageously, as described above in general, an antireflection coating is applied as a cover layer on the outer gallium arsenide layer facing away from the Bragg reflector. The antireflective coating is designed for the one laser wavelength Xl, the refractive index of which is inferior and is calculated with nGaAs for the laser wavelength XL, wherein a reflectance of less than 1% can be achieved without special expenditures. For the laser wavelength V = 1064, the anti-reflection coating is made of a layer of silicon oxynitride.
[0036] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das Substrat aus Indiumphosphid (InP) besteht und dass der Bragg-Reflektor aus Einzelschichten besteht, die jeweils eine £ Dicke haben, wobei für das erste Material mit dem Brechungsindizes nH mit Indium-Galliumarsenid (lno.53Gao.47As) mit einem Indiumanteil von 53% und die für das zweite Material (5) mit dem niedrigeren Brechungsindizes nL mit Indiumphosphid (InP) gerechnet wird, weiterhin die Zwischenschicht aus Indiumphosphid (InP) ist, auf der oder innerhalb derer die Einfach-Quantenschicht (6) aus Indi-um-Galliumarsenid (I^Ga^As) mit einem Induimanteil x ungleich, insbesondere kleiner 0,53 gitterverspannt ist, und der Indiumanteil x und deren Schichtdicke die absorbierende Wirkung als Funktion innerhalb eines Wellenlängenbereiches festlegen, dieser Wellenlängenbereich die Laserwellenlänge Xl beinhaltet, bei derein Maximum des Absorptionsverlaufes liegt und die Sättigungswirkung und die Leistungsfestigkeit durch die Wahl der Abstände der verspannten Einfach-Quan-tenschicht zu der Grenze des Reflektors festgelegt sind. Der Reflektor ist hier ein Bragg-Reflektor und besteht aus jeweils 30 bis 100 Einzelschichten. — A further advantageous embodiment of the invention consists in that the substrate consists of indium phosphide (InP) and that the Bragg reflector consists of individual layers each having a thickness, wherein for the first material with the refractive indices nH with indium Gallium arsenide (lno.53Gao.47As) with an indium content of 53% and that for the second material (5) with the lower refractive index nL is calculated with indium phosphide (InP), furthermore the intermediate layer of indium phosphide (InP) is, on or within of which the single quantum layer (6) of indium gallium arsenide (I ^ Ga 2 As) with an inductance x is unequal, in particular less than 0.53 grating-strained, and the indium part x and its layer thickness have the absorbing effect as a function within a wavelength range This wavelength range includes the laser wavelength Xl, which has a maximum of the absorption curve and the saturation effect and the power Strength are determined by the choice of the distances of the strained single quantum well layer to the boundary of the reflector. The reflector here is a Bragg reflector and consists of 30 to 100 individual layers. -
[0037] Die Deckschicht ist eine Passivierungsschicht zur Umgebung und/oder eine Entspiegelungsbeschichtung. Die Pas-sivierungsschicht oder die Entspiegelungsbeschichtung schützt die sehr dünne und chemisch instabile verspannte Ein-fach-Quantenschicht vor schädlichen Einflüssen der Umgebung. Die Passivierungsschicht ist so ausgelegt, dass diese die darunter liegenden Schichten schützt, deren optische Eigenschaften jedoch möglichst wenig beeinflusst. Die Entspiegelungsbeschichtung hat neben der Funktion eines Oberflächenschutzes zusätzliche optische Eigenschaften, die die Eigenschaften eines derartigen sättigbaren Bragg-Reflektors gegenüber einer nicht entspiegelten Ausführung wesentlich beeinflusst. In jedem Fall ist der Einfluss der Deckschicht bei einer Berechnung des sättigbaren Bragg-Reflektors mit zu berücksichtigen, wobei dessen praktische Wirkung nur im Betrieb in einem Laserresonator ermittelt werden kann. The cover layer is a passivation layer to the environment and / or an anti-reflection coating. The pas-sivierungsschicht or the anti-reflection coating protects the very thin and chemically unstable strained one-fold quantum well from harmful influences of the environment. The passivation layer is designed to protect underlying layers while minimizing their optical properties. The antireflective coating has, in addition to the function of a surface protection, additional optical properties which substantially affect the properties of such a saturable Bragg reflector compared to a non-antireflective design. In any case, the influence of the cover layer in a calculation of the saturable Bragg reflector is taken into account, the practical effect of which can only be determined during operation in a laser resonator.
[0038] In einem Laserresonator wird eine Verkürzung der Pulsdauer der Laserstrahlung gegenüber einer nicht entspiegelten Ausführung festgestellt, wenn die Entspiegelungsbeschichtung des sättigbaren Bragg-Reflektors für die eine Laserwellenlänge Xl ausgelegt ist. In a laser resonator, a shortening of the pulse duration of the laser radiation with respect to a non-antireflective embodiment is determined if the antireflective coating of the saturable Bragg reflector is designed for the one laser wavelength X1.
[0039] Durch die Entspiegelungsbeschichtung wird auch eine weitere Erhöhung der Leistungsfestigkeit des Resonatorspiegels erreicht. Mit dieser Entspiegelungsbeschichtung wird der sättigbare Absorber weder résonant noch antiresonant betrieben. The anti-reflection coating also achieves a further increase in the power stability of the resonator mirror. With this anti-reflective coating, the saturable absorber is operated neither résonant nor antiresonant.
[0040] Er unterscheidet sich auch von denen, die in der Literatur als «low-finesse» und oder «high-finesse» bezeichnet werden. Er ist auch nicht breitbandig ausgelegt, sondern nur für die jeweilige Laserwellenlänge berechnet und hergestellt. It also differs from those referred to in the literature as "low finesse" and "high finesse". It is also not designed broadband, but calculated and manufactured only for the respective laser wavelength.
[0041] Weiterhin kann die Pulsdauer der Laserstrahlung in einem Laserresonator dadurch verkürzt werden, indem die gitterverspannte Einfach-Quantenschicht als Niedrig-Temperatur-Schicht (Low-Temperature) aufgebracht wird, wobei die Pulsdauer niedriger wird, je niedriger die Wachstumstemperatur gewählt wird. Furthermore, the pulse duration of the laser radiation in a laser resonator can be shortened by applying the lattice-strained single-quantum layer as a low-temperature layer, the pulse duration becoming lower the lower the growth temperature is selected.
[0042] Besonders gute sättigbar absorbierende Eigenschaften der Bauelemente werden erreicht, wenn die Deckschicht mit der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht und der Zwischenschicht eine optische Dicke von XJ2 oder ein ganzes Vielfaches davon hat und mit den anderen Dicken im Schichtaufbau eine Phasenanpassung hergestellt wird. Particularly good saturable absorbing properties of the components are achieved when the cover layer with the lattice strained single-quantum layer and the intermediate layer has an optical thickness of XJ2 or a whole multiple thereof and with the other thicknesses in the layer structure, a phase matching is made.
[0043] Die sättigbar absorbierende Wirkung durch die Wahl der Lage der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht innerhalb des Aufbaues der angrenzenden Schichten einstellbar ist, wobei diese jeweils eine grössere Schichtdicke als die der Einfach-Quantenschicht aufweisen. The saturable absorbing effect is adjustable by the choice of the position of the grid-strained single-quantum layer within the structure of the adjacent layers, wherein these each have a greater layer thickness than that of the single-quantum layer.
[0044] Zur weiteren Steigerung der Laserfestigkeit des sättigbaren Reflektors oder des sättigbaren Absorbers ist das Substrat auf einer Wärmesenke befestigt. Diese Wärmesenke sichert neben der Abführung der Verlustleitung auch die geforderte hohe Konstanz der Peakleistung über die Zeit. To further increase the laser resistance of the saturable reflector or the saturable absorber, the substrate is mounted on a heat sink. This heat sink ensures not only the dissipation of the loss line but also the required high constancy of the peak power over time.
[0045] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren beschrieben. Es zeigen: The invention will be described below with reference to figures. Show it:
Fig. 1: einen Aufbau einer optischen Einheit als sättigbarer Bragg-Reflektor mit einer gitterverspannten Einfach-Quantenschicht auf Basis eines GaAs/AIAs-Systems, 1 shows a construction of an optical unit as a saturable Bragg reflector with a grating-strained single quantum layer based on a GaAs / AIAs system,
Fig. 2: einen Aufbau einer optischen Einheit als sättigbarer Bragg-Reflektor mit einer gitterverspannten Einfach-Quantenschicht und mit einer Antireflexbeschichtung, 2 shows a construction of an optical unit as saturable Bragg reflector with a lattice-strained single quantum layer and with an antireflection coating,
Fig. 3: einen Aufbau einer optischen Einheit als sättigbarer Bragg-Reflektor mit einer eingebetteten gitterverspannten Einfach-Quantenschicht, 3 shows a construction of an optical unit as saturable Bragg reflector with an embedded lattice-strained single-quantum layer,
Fig. 4: einen Aufbau einer optischen Einheit als sättigbarer Reflektor mit einer eingebetteten gitterverspannten Ein-fach-Quantenschicht auf einem metallischen Reflektor, 4 shows a structure of an optical unit as a saturable reflector with an embedded lattice-strained single-fold quantum layer on a metallic reflector,
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Fig. 5: einen Aufbau einer optischen Einheit als sättigbarer Absorber mit einer eingebetteten gitterverspannten Einfach-Quantenschicht auf einem transparenten Substrat. 5 shows a construction of an optical unit as a saturable absorber with an embedded lattice-strained single-quantum layer on a transparent substrate.
[0046] Die Erfindung wird an Beispielen einer als sättigbarer Bragg-Reflektor, als sättigbarer Reflektor und als sättigbarer Absorber wirkenden optischen Einheit für das Schichtsystem AlAs/GaAs mit I^Ga^As als gitterverspannte Einfach-Quantenschicht beschrieben. Die für dieses Schichtsystem hier mitgeteilten, ergänzt durch dem Fachmann allgemein bekannte Dimensionierungsrichtiinien und Herstellungstechnologien, sind ohne weiteres auf andere Schichtsysteme übertragbar, die zur Herstellung eines sättigbaren Reflektors oder Absorbers Anwendung finden können. Insbesondere gilt dies für die Materialien GaAs, GaP, GaSb, InAs, InP, InSb, AlAs, AIP, AlSbund deren Legierungen (siehe auch Fig. 15 in US 4 597 638). The invention will be described by examples of acting as a saturable Bragg reflector, as a saturable reflector and as a saturable absorber optical unit for the layer system AlAs / GaAs with I ^ Ga ^ As as a lattice strained single-quantum layer. The dimensioning guidelines and production technologies generally disclosed here for this layer system, supplemented by dimensioning guidelines and production technologies generally known to the person skilled in the art, can be readily applied to other layer systems which can be used to produce a saturable reflector or absorber. This applies in particular to the materials GaAs, GaP, GaSb, InAs, InP, InSb, AlAs, AIP, AlSb and their alloys (see also FIG. 15 in US Pat. No. 4,597,638).
[0047] Für die genannten und andere Materialien und andere Laserwellenlängen müssen gegebenenfalls die genannten entsprechenden Funktionsverläufe und Abhängigkeiten ermittelt werden, um eine gezielte Dimensionierung für jedes der Bauelemente vornehmen zu können. For the said and other materials and other laser wavelengths, if necessary, the corresponding functional characteristics and dependencies must be determined in order to be able to carry out targeted dimensioning for each of the components.
[0048] Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Schichtaufbau eines sättigbaren Bragg-Reflektors mit einer gitterverspannten Einfach-Quantenschicht 6, die auf einer letzten Schicht 4' eines Reflektors 2 aufgebracht ist. Der Reflektor 2 ist im Beispiel ein Bragg-Reflektor. Eine gitterverspannte Einfach-Quantenschicht 6 und eine Deckschicht 7 bilden eine weitere Schichtfolge 3. Fig. 1 shows the basic layer structure of a saturable Bragg reflector with a grid-strained single-quantum layer 6, which is applied to a last layer 4 'of a reflector 2. The reflector 2 is a Bragg reflector in the example. A grating-strained single-quantum layer 6 and a cover layer 7 form a further layer sequence 3.
einem Material 5 mit einem niedrigeren Brechungsindex nL aufgebaut, die den Bragg-Reflektor bilden. Die Dicken d der Einzelschichten ergeben sich aus den Brechzahlen der Materialien 4 und 5 für die jeweilige Laserwellenlänge XL = 1064 nm zu Im Beispiel ist das höher brechende Material 4 GaAs (n=3,4918) und das niedriger brechende Material 5 a material 5 having a lower refractive index nL, which form the Bragg reflector. The thicknesses d of the individual layers result from the refractive indices of the materials 4 and 5 for the respective laser wavelength XL = 1064 nm. In the example, the higher refractive index material 4 is GaAs (n = 3.4918) and the lower refractive material 5
AlAs (n=2,9520). AlAs (n = 2.9520).
[0050] Die Berechnung des Bragg-Reflektors kann nach Orazio Svelto: Principles of Lasers Plenum Press, fourth édition 1998) erfolgen. Die Schichtdicken der Einzelschichten sind bei einer Laserwellenlänge XL = 1064 nm für Galliumarsenid mit jeweils 76 nm und für Aluminiumarsenid ^ mit jeweils 90 nm bestimmt. The calculation of the Bragg reflector can be carried out according to Orazio Svelto: Principles of Lasers Plenum Press, fourth edition 1998). The layer thicknesses of the individual layers are determined at a laser wavelength XL = 1064 nm for gallium arsenide at 76 nm and for aluminum arsenide ^ at 90 nm.
[0051] Auf der letzten Schicht 4' des Reflektors 2 aus GaAs ist die Einfach-Quantenschicht 6 aus lnxGai.xAs und auf dieser die Deckschicht 7 aus GaAs aufgebracht. Im Beispiel ist die Einfach-Quantenschicht zwischen den zwei Galliumarsenid-Schichten gitterverspannt. Für eine Laserwellenlänge von 1064 nm ergibt sich bei einer Dicke der Einfach-Quantenschicht von 7 nm ein Indiumanteil zu 33%, wie aus der Fig. 2 in R. M. Kolbas, N. G Anderson, W. D. Laidig, Yongkun Sin, Y. C. Lo, K. Y. Hsien, Y. J. Yang: «Strained-Layer InGaAs-GaAs-AIGaAs Photopumped and Current Injection Lasers» IEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 24, No. 8, 1988, entnommen werden kann, wenn der Bandabstand E [in eV] gemäss der Formel in die Wellenlänge, hier die Laserwellenlänge A.L, umgerechnet wird. On the last layer 4 'of the reflector 2 made of GaAs, the single quantum layer 6 of InxGai.xAs and on this the covering layer 7 of GaAs is applied. In the example, the single-quantum layer is latticed between the two gallium arsenide layers. For a laser wavelength of 1064 nm results in a thickness of the single quantum well of 7 nm, an indium fraction to 33%, as shown in FIG. 2 in RM Kolbas, N. G Anderson, WD Laidig, Yongkun Sin, YC Lo, KY Hsien , YJ Yang: "Strained-Layer InGaAs-GaAs-AIGaAs Photopumped and Current Injection Lasers" IEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 8, 1988, can be seen when the band gap E [in eV] according to the formula in the wavelength, here the laser wavelength A.L, is converted.
[0052] Das Sättigungsverhalten und damit das in einem Laserresonator erzeugte Schaltverhalten und damit die Pulsdauer sind besonders einfach und reproduzierbar durch die Wahl des Abstandes der gitterverspannten Indium-Galliumarsenid-Schicht von der Grenzfläche zu einem umgebenden Medium 10 des Laserresonators einstellbar. Der Abstand wird durch die Dicke der Deckschicht 7 bestimmt. Diese muss so bemessen sein, dass einerseits die gewünschte sättigbar absorbierende Wirkung zur Modensynchronisation innerhalb einer Laserkavität erreicht wird und andererseits eine Grenze der Leistungsfestigkeit der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht 6 nicht überschritten wird. The saturation behavior and thus the switching behavior generated in a laser resonator and thus the pulse duration are particularly simple and reproducible by the choice of the distance of the grid-spanned indium gallium arsenide layer from the interface to a surrounding medium 10 of the laser resonator adjustable. The distance is determined by the thickness of the cover layer 7. This must be such that, on the one hand, the desired saturable absorbing effect for mode synchronization within a laser cavity is achieved and, on the other hand, a limit of the power resistance of the latticed single quantum layer 6 is not exceeded.
[0053] In der Praxis hat sich gezeigt, dass sich das Schaltverhalten eines sättigbaren Bragg-Reflektors, der nur ein Teil eines Laserresonators ist, nicht ausreichend genau theoretisch voraussagen lässt. Daher wird man durch wenige Versuche die optimale Schichtdicke der Deckschicht 7 ermitteln, so dass die in den sättigbaren Bragg-Reflektor einfallende und rückreflektierte Intensität der Laserstrahlung die Sättigung in dem entsprechenden Grad zur Erzeugung kurzer Laserpulse in einem Laserresonator liefert. Wichtig ist, dass die Lage der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht 6 von der Lage eines Stehwellenminimums der Laserstrahlung so weit entfernt liegen muss, dass die erforderliche sättigbar absorbierende Wirkung erhalten wird, um kurze Laserpulse zum Beispiel im Pikosekunden-Bereich zu erzeugen. Im Beispiel wurde die Dicke der Deckschicht 7 mit 100 nm gewählt. In practice, it has been found that the switching behavior of a saturable Bragg reflector, which is only part of a laser resonator, can not be predicted theoretically with sufficient accuracy. Therefore, the optimum layer thickness of the cover layer 7 will be determined by a few experiments, so that the intensity of the laser radiation incident and reflected back into the saturable Bragg reflector provides the saturation in the corresponding degree for generating short laser pulses in a laser resonator. It is important that the position of the grid-strained single-quantum layer 6 must be so far from the position of a standing wave minimum of the laser radiation that the required saturable absorbing effect is obtained to produce short laser pulses, for example in the picosecond range. In the example, the thickness of the cover layer 7 was chosen to be 100 nm.
[0054] Fig. 2 zeigt einen Schichtaufbau, bei dem dessen Schichtfolge 3 gegenüber der in Fig. 1 verändert ist. In diesem Beispiel bilden die gitterverspannte Einfach-Quantenschicht 6, die Deckschicht 7 und eine Antireflexbeschichtung 8 die Schichtfolge 3. Durch die Antireflexbeschichtung 8 aus SiON wird der an der Grenzfläche zum umgebenden Medium 10 reflektierte Anteil der Laserstrahlung reduziert, so dass sich innerhalb des sättigbaren Bragg-Reflektors ein höherer Energieeintrag einstellt, der das Schaltverhalten verändert. Fig. 2 shows a layer structure in which the layer sequence 3 is changed from that in Fig. 1. In this example, the grating-strained single-quantum layer 6, the cover layer 7 and an antireflection coating 8 form the layer sequence 3. The anti-reflection coating 8 made of SiON reduces the fraction of the laser radiation reflected at the boundary to the surrounding medium 10, so that inside the saturable Bragg Reflector sets a higher energy input, which changes the switching behavior.
[0055] Diese Antireflexbeschichtung 8 besteht aus einer rjf nm dicken Siliziumoxonitrid-Schicht. Auch hier ist es am zweckmässigsten, die optimale Dicke der Zwischenschicht 7 experimentell zu bestimmen. This antireflection coating 8 consists of a rjf nm thick silicon oxonitride layer. Again, it is most convenient to determine the optimum thickness of the intermediate layer 7 experimentally.
[0056] Fig. 3 zeigt einen Schichtaufbau, bei dem dessen Schichtfolge 3 gegenüber der in Fig. 1 verändert ist. In diesem Beispiel bilden die gitterverspannte Einfach-Quantenschicht 6, die Deckschicht 7 und eine Zwischenschicht 9 die Schichtfolge 3. Die Zwischenschicht 9 ist aus GaAs, auf der die Einfach-Quantenschicht (6) aus lnxGai-xAs mit einem Indiumanteil x = 0,15 aufgebracht ist. Fig. 3 shows a layer structure in which the layer sequence 3 is changed from that in Fig. 1. In this example, the lattice-strained single quantum layer 6, the cap layer 7, and an intermediate layer 9 form the layer sequence 3. The intermediate layer 9 is made of GaAs on which the single quantum layer (6) is InxGai-xAs having an indium content x = 0.15 is applied.
[0057] Hier ist hervorzuheben, dass die Einfach-Quantenschicht 6 zwischen zwei GaAs-Schichten gitterverspannt ist, wobei keine der Schichten Bestandteil des Bragg-Reflektors ist. Die Schichtdicke der gitterverspannten Einfach-Quanten- It should be emphasized here that the single-quantum layer 6 is latticed between two GaAs layers, wherein none of the layers is part of the Bragg reflector. The layer thickness of the lattice-strained single-quantum
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Schicht wird mit 10 nm festgelegt, so dass ein Maximum der Absorption bei 910 nm liegt. Bei dieser Wellenlänge liegt in diesem Beispiel die Lasewellenlänge V (siehe dazu auch Fig. 2 in J.-Y. Marzin, M. N. Charasse und B. Sermage «Optical investigation of a new type of valence-band configuration in lnx Gai.xAs As - GaAs strained superlattics» Phys. Rev., vol. B31, pp 82918-8301,1985. Eine andere Dicke und eine andere Materialzusammensetzung der Einfach-Quantenschicht 6 liefern ein Absorptionsmaximum bei einer anderen Laserwellenlänge (siehe Fig. 2 in R. M. Kolbas, N. G. Anderson, W. D. Laidig, Yongkun Sin, Y. C. Lo, K. Y. Hsien, Y. J. Yang: «Strained-Layer InGaAs-GaAs-AIGaAs Photopumped and Current Injection Lasers» IEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 24, No. 8,1988). Layer is set at 10 nm, so that a maximum of the absorption is 910 nm. At this wavelength, the lasing wavelength V lies in this example (see also Fig. 2 in J.-Y. Marzin, MN Charasse and B. Sermage "Optical investigation of a new type of valence band configuration in lnx Gai.xAs As" Rev. vol., B31, pp 82918-8301, 1985. Another thickness and material composition of the single-quantum layer 6 provides an absorption maximum at a different laser wavelength (see Fig. 2 in RM Kolbas, NG Anderson WD Laidig, Yongkun Sin, YC Lo, KY Hsien, YJ Yang: Strained-Layer InGaAs-GaAs-AIGaAs Photopumped and Current Injection Lasers IEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 24, No. 8,1988).
[0058] Hier kann durch eine Festlegung der Lage der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht 6 innerhalb der aus der Deckschicht 7 und der Zwischenschicht 9 bestehenden GaAs-Schichten die gewünschte sättigbar absorbierende Wirkung eingestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Gesamtdicke der Schichtfolge 3 sehr gut auf die Laserwellenlänge abgestimmt werden kann, so dass Phasensprünge an den Grenzflächen der Materialien vermindert werden oder gar nicht auftreten. Here, by setting the position of the latticed strained single-quantum layer 6 within the existing of the cover layer 7 and the intermediate layer 9 GaAs layers, the desired saturable absorbing effect can be adjusted. A further advantage is that the total thickness of the layer sequence 3 can be tuned very well to the laser wavelength, so that phase jumps at the boundary surfaces of the materials are reduced or do not occur at all.
[0059] Durch die Wahl der Position der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht 6 zwischen der Zwischenschicht 9 und der Deckschicht 7 ist eine einfache Möglichkeit gegeben, die Strahlungsfestigkeit und die sättigbar absorbierende Wirkung (Impulsform) in weiten Grenzen gezielt zu beeinflussen. By choosing the position of the grid-strained single-quantum layer 6 between the intermediate layer 9 and the cover layer 7 a simple way is given to selectively influence the radiation resistance and the saturable absorbing effect (pulse shape) within wide limits.
[0060] Die Schichtfolge 3 soll insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches i, mit i = 1, 2, 3 von £ optisch dick sein, wobei von einem Stehwellenminimum der Laserstrahlung so weit entfernt liegen, dass die erforderliche sättigbar absorbierende Wirkung erhalten wird. Ist die Einfach-Quantenschicht im Stehwellenmaximum der Laserstrahlung angeordnet, wurden in einem Laseraufbau die kürzesten Impulsdauern beobachtet. Allerdings wurde in dieser Lage die geringste Leistungsfestigkeit des Resonatorspiegels festgestellt. Auch hier hat sich gezeigt, dass die Impulsform der Laserstrahlung von der Art des Laserresonators abhängig ist, so dass es zweckmässig ist, durch mehrere Versuche zu ermitteln, wo die günstigste Lage der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht 6 innerhalb der beiden GaAs-Schichten 7 und 9 ist, wobei beide Schichten jeweils eine Mindestdicke von ^ haben sollten, um genügend weit von einem Stehwellenminimum entfernt zu sein und um die Gitterverspannung zu erzeugen. Die gitterverspannte Einfach-Quantenschicht 6 ist vorzugsweise ausserhalb eines Intensitätsmaximums der Laserstrahlung angeordnet. Praktisch nutzt die Erfindung eine Stellung der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht innerhalb der Schichtfolge, die zwischen dem Stehwellenmaximum und dem Stehwellenminimum der Laserstrahlung liegt. Auch hier kann die Deckschicht 7 mit der Antireflexbeschichtung 8 beschichtet sein, um den Energieeintrag in den sättigbaren Reflektor zu erhöhen (nicht dargestellt). The layer sequence 3 should in particular be an integer multiple i, with i = 1, 2, 3 of optisch optically thick, being so far away from a standing wave minimum of the laser radiation that the required saturable absorbing effect is obtained. If the single quantum layer is located at the standing wave maximum of the laser radiation, the shortest pulse durations were observed in a laser setup. However, in this position, the lowest power resistance of the resonator has been found. Again, it has been shown that the pulse shape of the laser radiation of the type of laser resonator is dependent, so that it is useful to determine by several experiments, where the most favorable position of the lattice strained single quantum layer 6 within the two GaAs layers 7 and 9 where both layers should each have a minimum thickness of, to be sufficiently far from a standing wave minimum and to generate the lattice strain. The grating-strained single-quantum layer 6 is preferably arranged outside an intensity maximum of the laser radiation. In practice, the invention utilizes a position of the lattice-strained single quantum layer within the layer sequence, which lies between the standing wave maximum and the standing wave minimum of the laser radiation. Again, the cover layer 7 may be coated with the anti-reflection coating 8 in order to increase the energy input into the saturable reflector (not shown).
[0061] Fig. 4 zeigt den Aufbau eines sättigbaren Reflektors, bei dem die Schichtfolge 3 mit einem Metallspiegel 11 aus Silber verbunden ist. In der WO 96/36 906 (Fig. 9) ist beispielhaft beschrieben, wie ein derartiger Schichtaufbau im Prinzip herstellbar ist. Neu ist hier die Dimensionierung der Schichtfolge 3, die die gitterverspannte Einfach-Quantenschicht enthält, die nach den in Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 genannten Methoden zu dimensionieren ist. In diesem Beispiel ist die Einfach-Quantenschicht aus lnx Ga^As, die zwischen der Deckschicht 7 und der Zwischenschicht 9, beide aus Aly Ga^ xAs, gitterverspannt. Mit dem AI-Anteil «y» kann die Brechzahl der Schichten variiert werden, wobei bei einem hohen AI-Anteil «y» der Legierungsbestandteil AlAs an der Oberfläche zur Oxidation neigt. Der Gitterabstand ändert sich bei dieser y-Variation nur gering, siehe z.B. auch Fig. 15 in der US 4 597 638. Fig. 4 shows the structure of a saturable reflector, in which the layer sequence 3 is connected to a metal mirror 11 made of silver. WO 96/36906 (FIG. 9) describes by way of example how such a layer structure can be produced in principle. What is new here is the dimensioning of the layer sequence 3, which contains the lattice-strained single-quantum layer, which is to be dimensioned according to the methods mentioned in FIGS. 1, 2 and 3. In this example, the single quantum layer is made of Inx Ga ^ As latticed between the cap layer 7 and the intermediate layer 9, both of Aly Ga xAs. With the Al component "y", the refractive index of the layers can be varied, wherein at a high Al content «y», the alloying constituent AlAs tends to oxidize on the surface. The grating pitch changes only slightly in this y-variation, see e.g. also FIG. 15 in US Pat. No. 4,597,638.
[0062] Fig. 5 zeigt den Aufbau eines sättigbaren Absorbers (ohne Reflektor!), der alleinstehend innerhalb des Strahlenganges eines Laserresonators, zwischen einem der Resonatorspiegel und einem Lasermedium angeordnet ist. Auf ein für die Laserwellenlänge transparentes Substrat 1 aus GaAs ist die Schichtfolge 3 aus der Zwischenschicht 9, der verspannten Einfach-Quantenschicht 6 und der Deckschicht 7 aufgebracht. In diesem Beispiel gehören weiterhin die Antireflexbe-schichtungen 8 zum umgebenden Medium 10 zum Schichtaufbau. Die Dimensionierung der Schichtfolge 3, die die gitterverspannte Einfach-Quantenschicht 6 enthält, erfolgt nach den in Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 aufgezeigten Methoden. Fig. 5 shows the structure of a saturable absorber (without reflector!), Which is arranged alone within the beam path of a laser resonator, between one of the resonator mirror and a laser medium. The layer sequence 3 consisting of the intermediate layer 9, the strained single quantum layer 6 and the cover layer 7 is applied to a transparent substrate 1 made of GaAs for the laser wavelength. In this example, the anti-reflection coatings 8 further belong to the surrounding medium 10 for layering. The dimensioning of the layer sequence 3, which contains the lattice-strained single-quantum layer 6, takes place according to the methods shown in FIGS. 1, 2, 3 and 4.
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2001
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